Oxfordilainen fyysikko ehdottaa koetta, joka voisi osoittaa painovoiman olevan kvantti – ja se saattaisi mahdollistaa painovoimaa vastaan toimivien koneiden rakentamisen

Tässä syy, miksi tämä on yksi jännittävimmistä ideoista fysiikassa juuri nyt.

Kuvittele hetki

Kuvittele, että kellut avaruudessa. Ajelehdit pois Maasta ilman rakettia tai futuristista puku. vain sinä, vapaana. Kaikki tuntuu painottomalta, rauhalliselta.

Ja sitten... jokin käynnistyy. Ei työntövoimaa, ei työntöä. Jotain alkaa vetää sinua takaisin kohti planeettaa, mutta käänteisesti. Painovoima itse työntää sinua pois Maasta.

Kuulostaa huonolta scifi-elokuvalta, eikö? No, pidä hatuistasi kiinni, sillä vakavan fysiikan tutkimuksen mukaan tämä saattaa olla teoreettisesti mahdollista. Ei kyse ole hatarasta spekuloinnista – oikea koe on parhaillaan suunnitteilla.

Ongelma, joka vaivaa fyysikoita

Miksi tämä on niin tärkeää? Luultavasti opit koulussa, että universumissa on neljä perusvoimaa: painovoima, sähkömagnetismi, vahva ja heikko ydinvoima. Kolme näistä? Ne on saatu selväksi kvantitasolla. Olemme testanneet ja ymmärtäneet, miten ne toimivat atomien ja hiukkasten maailmassa.

Mutta painovoima? Se on fysiikan villi teini-ikäinen.

Paras teoriamme painovoimasta tulee Einsteinilta – yleinen suhteellisuusteoria. Se kertoo, miten massiiviset kohteet kaareuttavat aika-avaruutta ja luovat sen, mitä koemme painovoimana. Se on kaunis, elegantti ja on todistettu lukemattomia kertoja oikeaksi.

Toisaalta meillä on kvanttifyysiikka – säännöt, jotka hallitsevat atomien ja hiukkasten pientä maailmaa. Sekin toimii loistavasti.

Ongelma? Nämä kaksi teorialle vihaavat toisiaan. Molemmat pitävät paikkaansa omissa domeeneissaan, mutta kun yrität yhdistää ne, matematiikka räjähtää käsistä. Fyysikot ovat yrittäneet sovittaa niitä yhteen lähes vuosisadan ajan.

Tämä ei ole vain akateeminen ongelma. Se tarkoittaa, että on kokonaisia todellisuuden alueita, joita emme voi kuvata nykyfysiikalla – kuten sitä, mitä tapahtuu mustien aukkojen sisällä tai universumin alussa.

Koe, joka voi muuttaa kaiken

Nyt tulee jännittävä osuus. Oxfordin fyysikko nimeltä Chiara Marletto (yhteistyössä alkuperäisen tutkimuksen tekijän kanssa) ehdotti jotain nerokasta: entä jos voisimme testata, onko painovoima kvantti – eli seuraako se kvanttisääntöjä – käyttämällä objekteja, jotka ovat riittävän pieniä kokeiltaviksi?

Perinteinen ajattelu oli, että tarvitsisit jotain astronomista – kuten koko Maan – kvanttigravitaation testaamiseen. Mutta Marletto ja hänen tiiminsä tajusivat, että sen voisi ehkä tehdä paljon pienemmällä. Biologisen solun kokoisella. Ehkä vielä pienemmällä.

Idea menee näin (ja se on yhtä siisti kuin miltä kuulostaa):

Ota kaksi pientä massaa – ajattele niitä pieninä objekteina, jotka voivat olla siinä, mitä kutsutaan "superpositioksi". Kvanttifyysiikassa superpositio tarkoittaa, että objekti voi olla useassa tilassa yhtä aikaa, kunnes sitä mitataan. Nämä pienet massat voivat siis olla samanaikaisesti kahdessa eri paikassa.

Ja tässä tulee ydin: jos painovoima on kvantti (eli se voi olla kietoutunut kuten muut kvanttijutut), näiden kahden massan pitäisi kietoutua toisiinsa gravitaatiovuorovaikutuksen kautta. Niiden paikat menisivät yhteen, vähän samalla tavalla kuin kaksi hiukkasta voi olla linkitetty niin, että toisen mittaaminen vaikuttaa välittömästi toiseen etäisyydestä huolimatta.

Kokeessa näkyisi neljä erillistä aaltoa painovoimakentässä – kaksi kummastakin massasta. Mutta jos painovoima osoittautuu klassiseksi (ei-kvantti), kummastakin massasta tulisi vain yksi aalto. Ei kietoutumista, ei kvanttioutoutta.

Se on kuin heittäisi beach ball -palloja uima-altaaseen. Jos painovoima on kvantti, aallot leviävät syvään ja matalaan päähän samanaikaisesti. Kahdella kvanttipallolla näkyisi neljä aaltoa, jotka muodostavat monimutkaisen, kietoutuneen kuvion.

Mitä sitten tapahtuu, jos se toimii?

Tässä kohtaa mennään "mielenkiintoisesta fysiikkakokeesta" "odota, tämä kuulostaa tieteiskirjallisuudelta" -alueelle.

Jos koe vahvistaa, että painovoima on kvantti – että se voi olla kietoutunut ja osoittaa kaiken kvanttimaailman oudouden – seuraukset ovat valtavat.

Ensinnäkin voisimme mahdollisesti rakentaa kvanttitietokoneita käyttämällä painovoimaa itsessään. Ja tarkoitan todella käyttää sitä, ei vain vertauskuvallisesti. Koska mustat aukot sisältävät enemmän informaatiota kuin mikään muu tunnettu objekti universumissa, ehkä voisimme joskus hyödyntää niitä ultmaattisina kvanttitietokoneina.

Mutta on jotain vielä villimpää...

Tutkijat ovat suunnitelleet sen, mitä he kutsuvat "antigravitaatiokoneeksi". Tiedän, tiedän – se kuulostaa naurettavalta. Mutta kuunnelkaa.

Painovoima on neljästä perusvoimasta heikoin. Se on myös aina attraktiivinen – se vetää asioita yhteen, ei koskaan työnnä niitä erilleen. Se on syy, miksi et kellu avaruuteen, miksi Kuu pysyy Maan ympärillä, ja miksi koko aurinkokuntamme pysyy koossa.

Mutta tässä tulee kiehtova osuus: jos painovoima on kvantti, se saattaa olla mahdollista tehdä repulsiiviseksi hyvin spesifisissä olosuhteissa.

Kone toimisi samantyyppisesti kuin kietoutumiskoe. Yksi massa olisi superpositiossa (toimisi "lähteenä"), kun taas toinen olisi paikallistettu ("koettimena"). Yhdessä superpositiotilassa lähde on lähempänä koettimta, mikä luo voimakkaamman gravitaatioattraktion. Toisessa tilassa se on kauempana, mikä luo heikomman attraktion.

Kvanttitemppu tulee mittausvaiheessa. Asetat kokeen, annat sen kehittyä ja mittaat hyvin tietyllä tavalla.

Ja tässä tulee pointti: yhdelle spesifiselle mittaustulokselle painovoimasta tulee repulsivinen. Ei attraktiivinen. Repulsiivinen.

Toki, on koukku (niitä on aina, eikö?). Sinun täytyy hylätä yksi mahdollisista tuloksista. Keskimäärin, jos sisällytät molemmat tulokset, painovoima on edelleen attraktiivinen. Mutta jos "post-valitset" – eli katsot vain sitä tulosta, jossa repulsio tapahtuu – saat antigravitaatiota.

Tutkijat korostavat, että tämä ei ole pelkkää toiveajattelua. Klassisesti tämä olisi mahdotonta. Kuinka paljon ikinä yrittäisit poimia tuloksia, klassinen fysiikka ei koskaan antaisi repulsia. Joten jos koe toimii, se olisi aito todiste siitä, että painovoima voi vaikuttaa kahdesta eri pisteestä samanaikaisesti – jotain mahdollista vain, jos painovoima todella on kvantti.

Tapahtuuko tämä oikeasti?

Olen rehellinen: tämän kokeen rakentaminen ja suorittaminen on uskomattoman vaikeaa. Puhumme pienten massojen kvantt-superpositioiden ylläpitämisestä, äärimmäisen herkkien gravitaatiovaikutusten mittaamisesta ja kaiken eristämisestä ympäristön kohinasta.

Mutta tässä rohkaiseva osuus: joukko maailman johtavia kvanttitutkimusryhmiä työskentelee aktiivisesti tämän parissa. He kilpailevat ollakseen ensimmäisiä toteuttamassa nämä kokeet, ja on aitoa optimismia, että nähtäisiin ratkaisevia tuloksia 2030-luvun alussa.

Jotkut tutkijat tekevät jopa yhteistyötä kokeellisten tiimien kanssa, jotka ovat erikoistuneet tarkkaan laboratoriotyöhön, jota tämä vaatii. Teoreettinen työ on tehty – nyt kyse on rajojen työntämisestä siihen, mitä voimme todella tehdä laboratoriossa.

Miksi sinun pitäisi välittää?

Tiedän mitä osa teistä saattaa ajatella: "Tämä on kaikki hyvin mielenkiintoista, mutta vaikuttaako se arkielämääni?" Rehellisesti? Luultavasti ei suoraan, ainakin pitkään aikaan.

Mutta se ei ole oikeastaan pointti.

Tämä on ymmärtämistä universumista sen perustavimmalla tasolla. Ongelmana on kahden suurimman fysiikan teorian lopullinen sovittaminen, mikä avaa täysin uusia tapoja ajatella todellisuutta.

Ja rehellisesti? On jotain kaunista universumissa, jossa antigravitaatio saattaa olla mahdollista. Jossa voima, joka pitää meidät kiinni planeetassa, voisi oikeiden kvanttiölosuhteiden vallitessa työntää meitä poispäin sen sijaan.

Jotkut meistä kasvoivat katsellen scifi-elokuvia ja lukien tulevaisuuden teknologiasta. Ajatus siitä, että saatamme olla vihdoin ymmärtämässä – ja ehkä joskus hallitsemassa – jotain niin perustavanlaatuista kuin painovoima on uskomattoman jännittävä.

Seuraavan kerran kun pudotat jotain ja katsot sen putoavan, tai tunnet painosi painuvan maahan, pysähdy hetkeksi arvostamaan näkymätöntä voimaa, jonka kanssa olemme eläneet koko elämämme.

Sillä eräiden hyvin älykkäiden fyysikoiden mukaan painovoima saattaa piilottaa salaisuuksia, joita emme ole edes alkaneet ymmärtää.

Ja se, ystäväni, on aika siistiä.

Lähde: https://www.popularmechanics.com/science/a71631348/quantum-gravity-antigravity-experiment

Mitä jos painovoima kääntyisi? Koe, joka voi mullistaa kaiken